CN219202039U - 一种光学镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学镜头，属于光学系统技术领域。针对现有技术中存在的利用普通镜头拍摄的成像质量不能很好地解决倾斜拍摄等问题，本实用新型提供了一种光学镜头，沿光轴从物面至像面的方向依次为具有正光焦度的第一球面透镜、具有负光焦度的第二球面透镜、具有负光焦度的第三球面透镜、光阑以及具有正光焦度的第四球面透镜，所述第二球面透镜为胶合组透镜，所述胶合组透镜由平凸透镜和平凹透镜组成，所述光学镜头的光学后截距m≥60mm。由此，本实用新型提供的一种光学镜头景深大、长后截距、分辨率高，可以对整个倾斜视野范围清晰成像。

Description

一种光学镜头

技术领域

本实用新型涉及光学系统技术领域，更具体地说，涉及一种光学镜头。

背景技术

现阶段半导体行业发展迅速，普通2D光学成像方案已经不能满足当前市场关于半导体缺陷检测的需要。随着光学、图像处理和计算机技术的发展，3D结构光成像技术得到广泛应用，它利用投影条纹和工业相机拍摄得到相应的图像信息，并对图像进行一系列的处理，提取出所需要的信息，最终完成3D精确成像。3D结构光成像技术是一种快速发展的非接触式测量，具有灵活性好、速度快、精度高以及智能化等优点。3D结构光成像技术需要镜头拍摄倾斜目标，传统镜头受景深的限制难于对倾斜目标全视野清晰成像，并且当普通镜头倾斜拍摄时，会出现因增加接圈和转接装置导致成像质量无法匹配使用需求。而沙姆镜头对倾斜目标全视野能够清晰成像，镜头在拍摄时满足沙姆定律，即当目标平面、镜头主面、探测器平面三者延长线相交于一线，且相交线唯一，可以对整个倾斜视野范围清晰成像，其实际景深由光学系统的焦距和孔径。

经检索，中国专利申请，申请公布号CN111766689A，申请公布日2020年10月13日，公开了一种非球面大景深沙姆镜头。该发明从物侧至像侧依次为第一非球面透镜、光阑、第二非球面透镜、第三非球面透镜，其中第二非球面透镜具有负光焦度，第三非球面透镜具有正光焦度；所述第一非球面透镜具有正光焦度或负光焦度。该镜头采用3片非球面透镜，实现较大视场的高分辨率成像。但是该成像镜头仅仅考虑设计的成像性能，后截距较短，并未考虑后续实际沙姆结构的通用性设计和后截距空间的分配问题，且采用非球面可能会导致成本增加。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的通过3D结构光成像技术实现半导体行业的实际应用场景时，利用普通镜头拍摄的成像质量不能很好地解决倾斜拍摄问题且拍摄成本较高，本实用新型提供了一种光学镜头，其景深大，长后截距，分辨率高，可以对整个倾斜视野范围清晰成像，同时，所用透镜均采用球面设计，易生产，易装配，能够有效降低生产成本。

2.技术方案

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种光学镜头，沿光轴从物面至像面的方向依次为具有正光焦度的第一球面透镜、具有负光焦度的第二球面透镜、具有负光焦度的第三球面透镜、光阑以及具有正光焦度的第四球面透镜；

所述光学镜头的焦距与所述第一球面透镜的焦距满足如下条件：0.5<|FL1|/EFL<0.7，其中，EFL为所述光学镜头的焦距，FL1为所述第一球面透镜的焦距；

所述光学镜头的焦距与所述第二球面透镜的焦距满足如下条件：0.7<|FL2|/EFL<0.85，其中，FL2为所述第二球面透镜的焦距；

所述光学镜头的焦距与所述第三球面透镜的焦距满足如下条件：0.5<|FL3|/EFL<0.7，其中，FL3为所述第三球面透镜的焦距；

所述光学镜头的焦距与所述第四球面透镜的焦距满足如下条件：0.4<|FL5|/EFL<0.6，其中，FL5为所述第四球面透镜的焦距。

进一步地，所述第二球面透镜为胶合组透镜，所述胶合组透镜由平凸透镜和平凹透镜组成。

进一步地，所述光学镜头的光学后截距为m，其中，m≥60mm。

进一步地，所述第一球面透镜为双凸透镜，所述第三球面透镜为平凸透镜或弯月透镜，所述第四球面透镜为平凸透镜或弯月透镜。

进一步地，所述光轴与物面的夹角为α，其中，α≥45°；所述光轴与像面的夹角为β，其中，β≥71.56°。

进一步地，所述光学镜头的视场角对角线为n，其中，n≤48mm。

进一步地，所述光学镜头的最大光学数值孔径为k，其中，k≤0.025。

进一步地，所述光阑的直径为d，其中，0mm≤d≤8.6mm。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的优点在于：

本实用新型提供的一种光学镜头，第二球面透镜为胶合组透镜，所述胶合组透镜由平凸透镜和平凹透镜组成，景深大，分辨率高，可以对整个倾斜视野范围清晰成像。光学镜头均采用球面透镜设计，相对于非球面透镜，镜头公差敏感度低，易加工，易装配，可批量生产，极大地降低生产成本。光学镜头光学后截距m≥60mm，长后截距使得沙姆机械结构设计更加方便，并且能够有效解决光学后截距空间的分配问题。镜头光轴与物面的夹角α≥45°，更加适配于3D视觉检测需求，实现3D结构光倾斜成像。

附图说明

图1为本实用新型沙姆定律成像原理图；

图2为本实用新型镜头结构图；

图3为本实用新型光学系统图；

图4为图3中A处结构放大图；

图5为本实用新型镜头成像质量MTF曲线图；

图6为本实用新型镜头畸变曲线图。

图中标号说明：1、第一球面透镜；2、第二球面透镜；3、第三球面透镜；4、光阑；5、第四球面透镜。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。

实施例

如图1所示，为沙姆定律成像原理图，当物面、主平面、像面三者延长线相交于一线，且相交线唯一，可以对整个倾斜视野范围清晰成像，且满足：

其中，α为光轴和物面的夹角，β为光轴和像面的夹角，PMAG为垂轴放大率。由此，通过所述沙姆定律可以实现整个倾斜视野范围清晰成像。

本实施例中，应用所述沙姆定律实现一种光学镜头。如图2所示，沿光轴从物面至像面的方向依次为具有正光焦度的第一球面透镜1、具有负光焦度的第二球面透镜2、具有负光焦度的第三球面透镜3、光阑4以及具有正光焦度的第四球面透镜5。其中，所述第二球面透镜2为胶合组透镜，所述胶合组透镜由平凸透镜和平凹透镜组成。值得说明的是，本实施例中，所述胶合组透镜消像差，能够有效减少能量损失。

进一步地，所述第一球面透镜1为双凸透镜，所述第三球面透镜3为平凸透镜或弯月透镜，所述第四球面透镜5为平凸透镜或弯月透镜，需要说明的是，本实施例中，所述第四球面透镜5起偏心补偿作用，用于矫正系统偏心慧差。本实施例中，所用透镜均为球面透镜，进而相较于非球面透镜，球面透镜镜头公差敏感度低，易加工，易装配，可批量生产，能够有效降低生产成本。

进一步地，所述光学镜头的焦距与所述第一球面透镜1的焦距满足如下条件：0.5<|FL1|/EFL<0.7。其中，EFL为镜头中心到焦点的距离，即有效焦距。本实施例中，所述EFL为光学镜头的焦距，FL1为所述第一球面透镜1的焦距。所述光学镜头的焦距与所述第二球面透镜2的焦距满足如下条件：0.7<|FL2|/EFL<0.85，其中，FL2为所述第二球面透镜2的焦距。所述光学镜头的焦距与所述第三球面透镜3的焦距满足如下条件：0.5<|FL3|/EFL<0.7，其中，FL3为所述第三球面透镜3的焦距。所述光学镜头的焦距与所述第四球面透镜5的焦距满足如下条件：0.4＜|FL5|/EFL＜0.6，其中，FL5为所述第四球面透镜5的焦距。

本实施例中，所述光轴与物面的夹角为α，其中，α≥45°；所述光轴与像面的夹角为β，其中，β≥71.56°。值得说明的是，所述光轴与物面的夹角α≥45°，更加适配于3D视觉检测需求，实现3D结构光倾斜成像。所述光学镜头的光学后截距为m，其中，m≥60mm，长后截距使得沙姆机械结构设计更加方便，并且能够有效解决光学后截距空间的分配问题。所述光学镜头的视场角对角线为n，其中，n≤48mm。由此可以根据检测目标确定的最大检测视野是48mm。所述光学镜头的最大光学数值孔径为k，其中，k≤0.025。需要说明的是，所述最大光学数值孔径k是通过调制传递函数(MTF)确定的最佳孔径值。本实施例提供的一种光学镜头，所述光阑4的直径为d，其中0mm≤d≤8.6mm，直径d可以根据拍摄实际情况改变大小，平衡成像质量和景深。需要说明的是，本实施例提供的一种光学镜头，最大支持1.1″相机靶面全视场高分辨率成像。

进一步地，通过选取设计原始参数，利用本实施例提供的一种光学镜头，实现对整个倾斜视野范围清晰成像。本实施例中，选取光轴与物面的夹角α为45°，视场角对角线n为48mm，波长λ取值范围为0.454um＜λ＜0.464um，最大光学数值孔径k为0.025，垂轴放大率PMAG为0.3333X，同时，对应1.1″相机靶面CMOS或CCD；

表1为本实施例的优选设计参数

表面	曲率半径	厚度	折射率Nd	阿贝数Vd
					物面	-	207.1	-	-
1	55.5	3.5	1.85	23.8
					2	-74.2	0.35	-	-
3	10.45	3	1.52	58.7
					4	无限	1.5	1.76	26.6
5	9.31	4.4	-	-
					6	-17.77	1.5	1.49	70.4
7	无限	4.98	-	-
					光阑	无限	3.82	-	-
9	-831.66	2	1.62	63.4
					10	-19.3654	61.6	-	-
像面	-	-	-	-

由上述表1可知，第一球面透镜1焦距参数为FL1/EFL＝0.65，满足条件0.5＜|FL1|/EFL＜0.7；第二球面透镜2焦距参数为FL2/EFL＝|-0.8|，满足条件0.7＜|FL2|/EFL＜0.85；第三球面透镜3焦距参数为FL3/EFL＝|-0.64|，满足条件0.5＜|FL3|/EFL＜0.7；第四球面透镜5焦距参数为FL5/EFL＝0.56，满足条件0.4＜|FL5|/EFL＜0.6。进而，通过物像关系和垂轴放大率PMAG可以得到光轴和像面的夹角β为71.65°，当光轴和像面的夹角β为71.65°时，可以应用于整个倾斜视野范围从而得到清晰成像。本实施例中，选取光学后截距m为61.6mm，从而可以满足后期的沙姆机械设计，降低设计难度，不会发生干涉现象。

如图3和图4所示，为本实施例提供的一种光学镜头得到的光学系统图，通过光线走向可知边缘光线偏折缓和，各边缘光线平滑通过各组透镜镜片，系统公差敏感度低，同时，利用第四球面透镜5可以实现偏心矫正，提升后期镜头装配和调试效率。

如图5所示，为本实施例提供的一种光学镜头在全视场下MTF-104lp/mm≥0.5，成像贴近衍射极限。

如图6所示，为本实施例提供的一种光学镜头通过选取不同波长实现在全视场下光学畸变<0.05％，其中，λ_a为0.454um，λ_b为0.459um，λ_c为0.464um，通过畸变可以有效观察到成像质量。

需要说明的是，本实施例提供的一种光学镜头，镜头总长(TTL)≤100mm，通过优化镜片材料、光焦度、面型和镜片间隔等自由度，可以实现像差矫正。

由此，本实施例提供的一种光学镜头，景深大、分辨率高可以对整个倾斜视野范围清晰成像，长后截距方便沙姆机械结构设计，生产成本低，同时，合适的倾斜角度能够适配于3D视觉检测需求，实现3D结构光倾斜成像。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (8)

1.一种光学镜头，其特征在于，沿光轴从物面至像面的方向依次为具有正光焦度的第一球面透镜(1)、具有负光焦度的第二球面透镜(2)、具有负光焦度的第三球面透镜(3)、光阑(4)以及具有正光焦度的第四球面透镜(5)；

所述光学镜头的焦距与所述第一球面透镜(1)的焦距满足如下条件：0.5<|FL1|/EFL<0.7，其中，EFL为所述光学镜头的焦距，FL1为所述第一球面透镜(1)的焦距；

所述光学镜头的焦距与所述第二球面透镜(2)的焦距满足如下条件：0.7<|FL2|/EFL<0.85，其中，FL2为所述第二球面透镜(2)的焦距；

所述光学镜头的焦距与所述第三球面透镜(3)的焦距满足如下条件：0.5<|FL3|/EFL<0.7，其中，FL3为所述第三球面透镜(3)的焦距；

所述光学镜头的焦距与所述第四球面透镜(5)的焦距满足如下条件：0.4<|FL5|/EFL<0.6，其中，FL5为所述第四球面透镜(5)的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述第二球面透镜(2)为胶合组透镜，所述胶合组透镜由平凸透镜和平凹透镜组成。

3.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的光学后截距为m，其中，m≥60mm。

4.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述第一球面透镜(1)为双凸透镜，所述第三球面透镜(3)为平凸透镜或弯月透镜，所述第四球面透镜(5)为平凸透镜或弯月透镜。

5.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述光轴与物面的夹角为α，其中，α≥45°；所述光轴与像面的夹角为β，其中，β≥71.56°。

6.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的视场角对角线为n，其中，n≤48mm。

7.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头的最大光学数值孔径为k，其中，k≤0.025。

8.根据权利要求1所述的一种光学镜头，其特征在于，所述光阑(4)的直径为d，其中，0mm≤d≤8.6mm。

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